Nitrification biokinetics in rapid sand filters for drinking water treatment

摘要

Danmarks drikkevandsforsyning er udelukkende baseret på grundvand – og mere end 2500 vandværker behandler hver dag vand til de danske forbrugere. Selv om denne vandbehandling betegnes som simpel, er den i virkeligheden baseret på komplicerede mikrobielle processer, som vi hidtil har vidst relativt lidt om, og driften er derfor i høj grad erfaringsbaseret. Hvis vandbehandlingen indimellem ikke fungerer helt optimalt, og vi ikke kender de underliggende processer, kan det derfor være vanskeligt at identificere de nødvendige løsninger for at få vandbehandlingen til at fungere, som den skal. Ammonium (NH4+) er et af de stoffer, der ofte skal fjernes fra grundvand i vandværkernes sandfiltre. Ammoniumfjernelsen er en mikrobiel proces – nitrifikation – hvor ammonium først oxideres til nitrit som dernæst oxideres til nitrat. Det er vigtigt, at processen løber til ende, da nitrit er sundhedsskadeligt. Vandprøver fra forskellige dybder ned i gennem et sandfilter på et vandværk viste, at NH4+ blev fjernet i de øverste 20 cm. For at undersøge nitrifikationskapaciteten i de dybere filterlag, er der i projektet udviklet en laboratoriekolonne, hvor sand fra forskellige filtre og dybder kan undersøges med hensyn til NH4+-belastning under kontrollerede forhold. I et filter var nitrifikationen tydeligt lagdelt med højest aktivitet som fjernede al ammonium i toppen af filteret. De dybere lag var imidlertid også aktive, når de blev udsat for en høj belastning af NH4+, og udgjorde således en væsentlig sikkerhedskapacitet. I et andet vandværksfilter med for høj udløbs-koncentration, var nitrifikationen lav i alle filterdybder, og kunne ikke stimuleres med forhøjet belastning. Således kunne nitrifikationskapaciteten diagnosticeres i de forskellige lag.Den tydelige lagdeling i et af de undersøgte vandværkers filtre skyldes udfældninger på sandkornene. Disse udfældninger var tykkest i det øverste filterlag og gjorde sandkornene lettere, hvilket påvirkede kornenes fordeling i filteret. Nitrifikationen korrelerede positivt med graden af udfældninger, formentlig fordi dette gav et større overfladeareal. Forekomst af ammonium oxiderende bakterier (AOB) var ligeledes lagdelt i filtrene, og med samme fordeling som nitrifikationen. Ammonium oxiderende archaea (AOA) blev påvist i samme størrelsesorden som AOB, men var ikke lagdelt. En 1-D biofilm model blev etableret til at bekrive nitrifikationskinetikken, og til at estimere halvmætningskonstant og maksimale vækstrater af AOB i de forskellige lag i sandfilteret. Biokinetikken varierede mellem lagene - øget belastning kunne øge nitrifikationskapacitet og den maksimale vækstrate i det øverste og mellemste filterlag, i modsætning til det nederste. Den maksimale cellespecifikke aktivitet for AOB var større i det øverste og mellemste lag i filteret end i det nederste, hvilket indikerer, at forskellige typer af AOB var aktive i de respektive lag.Projektet har således udviklet metoder til at kvantificere dybdespecifikke nitrifikationsrater og til at identificere fordeling af aktivitet, koncentration og aktive grupper i sandfiltererts lag. Værktøjskassen til at diagnosticere dårligt fungerende processer i vandværker er således blevet væsentligt udbygget og bidrager således til at sikre forbedret drikkevandskvalitet.